蘋果大小分級機械臂設計研究

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摘要：由于現在大部分地區對于蘋果的大小分級的效率較低，課題組通過使用Python編程和OpenCV圖像處理設計了一款機械臂。機械臂是使用樹莓派主板進行控制的，舵機實現機械臂各個關節處的轉動，從而實現機械臂六個自由度的旋轉。樹莓派主板是在2012年發售的，它體積雖小，卻具有電腦的所有基本功能，所以功能強大。利用機械臂實現對蘋果分級的高效率運行，從而解放勞動力，降低成本。仿真結果表明：1）分級成功率都大于90%，成功率很高；而且表面破損率都很低，效率很高，達到了設計要求，可以應用到流水線作業中，實現蘋果分級的規模化生產。2）分級范圍越小，誤差越大，因此應注意設計分級梯度。3）機械臂運行時性能平穩，生產效率高，可以應用到生產流水作業中。

關鍵詞：機械臂；大小分級；自動化

隨著科學技術的迅速發展，機器人越來越多地出現在生產和生活的各個領域，各種各樣的多自由度機械臂應運而生，并廣泛應用于工業機械、加工制造、汽車焊接等眾多領域[1]。多自由度機械臂的特點在于系統穩定、整體性靈活，是比較參考人體手臂關節運動角度的范圍而設計的[2]。當前，人們的生活水平提高了，經常會買一些蘋果、香梨等水果，在購買水果的時候人們經常會發現同一類型的水果會因為體積大小的不同而價格不同，有大型果、中型果和小型果等。而對于這些水果的大小分級，大部分地區尤其貧困地區采用人工或者網漏的方法進行，這樣分級有很多的缺點：速度慢、質量受到影響、人工費高、不適合大規模的操作等?；诖耍菊n題組研究利用機械臂自動實現水果大小的分揀，以減輕工作人員的勞動強度，避免工作人員重復執行簡單、機械化的操作，大大地提高工作效率。

1總體設計

為實現上述目的，設計機械臂自動對蘋果大小進行分揀，該裝置包括機座轉動機構、伸縮抓取機構、視覺識別裝置、控制系統等[3]。

1.1機械臂旋轉機構

機械臂的旋轉控制，是通過輸入的信號經數據處理后轉化為各個關節的力矩，在力矩的作用下產生對應的運動速度[4]，然后通過雅可比矩陣建立起機械臂的運動速度和機械臂末端執行器的配比關系[5]，來實現機械臂旋轉的目標。因此，在底座安裝一個舵機，另外機械臂上安裝四個，舵機有兩個舵盤，一個為主動舵盤，另一個為從動舵盤，主動舵盤在齒輪的帶動下旋轉從而帶動這一個關節處的機械臂旋轉運動，安裝五個舵機使得整個機械臂的活動空間變大，活動范圍更廣。機械臂正視圖如圖1所示。

1.2伸縮抓取機構

抓取裝置：立爪有三只，根部均勻分布式安裝于圓形抓盤上，中部通過小連桿連接至大連桿上，舵機6安裝于機械爪最底部，控制大連桿的升降。當大連桿下降時，產生拉力通過小連桿傳遞到立爪上，使三個立爪均向內靠攏，實現對物品的抓??；當大連桿上升時，產生推力通過小連桿傳遞到立爪上，使三個立爪均向外分散，實現機械爪的張開。機械爪正視圖如圖2所示。

1.3視覺識別裝置

機械臂在執行物體抓取動作時，需要獲取目標物體的位置。這就需要相機獲取抓取場景的點云信息，然后傳遞給控制系統，控制系統經過目標識別和位姿估計算法處理后獲取目標物體的位置信息[6]。所述視覺識別裝置包括攝像頭、支架和連接線，所述攝像頭是一顆可以自動聚焦的Kincet攝像頭，固定于支架上，使視角垂直于工作平面，保證對工作環境的分析和對物體大小的精準識別，利用連接線將采集到的信息傳輸到控制系統進行分析，從而反饋不同的動作。

1.4控制系統

所述控制裝置主要包括樹莓派4B主板和拓展板，利用樹莓派控制舵機，從而實現機械臂的各種自由度操作。樹莓派，也可以稱為微型電腦，它的體積小，用SD卡為存儲硬盤，但是功能強大，相當于一臺電腦的主機[7]，是為學習計算機編程教育而設計的。當它接入顯示屏、鍵盤和鼠標時就可以在這個所設的系統中進行編程操作。當然，樹莓派還可以進行調試工作，調試模塊包括串口、指示燈和按鍵等，系統的調試是必不可少的，這是完善系統的必備工具[8]。

2關鍵部件的設計

2.1機械爪的設計

課題組設計的機械爪是三爪的，抓取水果時更加平穩、可靠。內部設計為齒輪連桿機構，如圖2所示。

2.2旋轉盤轉動機構

舵機上的舵盤固定在金屬薄片上，中間放置軸承，然后上面放同樣大小的金屬薄片，將這兩個薄片通過螺栓固定，當舵機的舵盤旋轉帶動軸承旋轉時，可以從而帶動機座旋轉。

3工作原理

3.1圖像處理

在攝像頭上外加一個環形燈，以環形燈為光源，攝像頭拍攝蘋果的投影面。將此投影面回傳到樹莓派主板，進行OpenCV圖像處理，將尺寸大小統一設定為目標尺寸[9]，然后通過高斯濾波函數和中值濾波函數，進行圖像增強、降噪、特征提取[10]，最終得到清晰的圖像。在此過程中，最重要的一點是圖像是否聚焦。由于人工調焦的方式時間較長，而且效果也不明顯，因此采用基于圖像處理技術的自動調焦系統，即采用灰度差分的方法進行調焦[11]。

3.2投影面積近似計算

采用無限逼近的方法。因為蘋果在底面上的投影大致為圓形，所以利用多邊形無限逼近的方法對投影面積進行近似計算。一般來說，投影面積越大的，體積對應越大；投影面積越小的，體積對應越小。

4實驗設計與分析

目前，新疆蘋果最為著名的是阿克蘇蘋果，現購進不同大小的100個阿克蘇蘋果進行實驗。據目測觀察，這些蘋果的投影面積大致在50cm2~95cm2。第一組，將這些蘋果分為兩組：1）50cm2~72.5cm2；2）72.5cm2~95cm2。實驗結果如表1所示。第二組，將這些蘋果分為三組：1）50cm2~65cm2；2）65cm2~80cm2；3）80cm2~95cm2。實驗結果如表2所示。從以上實驗結果來看，第一組分級成功率的平均值為94%，表面嚴重破損率的平均值為3.7%；第二組分級成功率的平均值為90.3%，表面嚴重破損率的平均值為4%。通過對比兩個表可知，當分級梯度設置得越多，分級的成功率越小[12]。

5結論

1）分級成功率都大于90%，成功率很高；而且表面破損率都很低，效率很高，達到了設計要求，可以應用到流水線作業中，實現蘋果分級的規?；a。2）分級范圍越小，誤差越大，因此應注意設計分級梯度。

參考文獻：

[1]孫銀生，徐瑞麗，田國豪.基于ANSYS的六自由度機械臂輕量化研究[J].機械工程與自動化，2021(5)：113-115.

[2]張師榕，張振，趙轉哲，等.基于運動捕捉的多自由度機械臂輸入設備研究[J].安徽工程大學學報，2021，36(5)：25-31.

[3]宋智勇，楚合營，高申，等.紅棗自動去核裝置的設計[J].南方農機，2020，51(12)：23.

[4]魏鵬.機械手臂系統的設計與研究[D].上海：上海海洋大學，2016.

[5]李國棟.網絡環境下的遙操作機器人系統建模及無源控制方法研究[D].北京：華北電力大學（北京），2017.

[6]劉繼宗.基于視覺引導的機械臂定位抓取研究與實現[D].重慶：重慶郵電大學，2021.

[7]陳博杰，陳澤佳，吳志安，等.基于樹莓派路徑規劃的智能終端配送機器人[J].工業控制計算機，2021，34(7)：33-35.

[8]趙修琪，盧文豪，王珊.基于Arduino的自動分揀機械臂控制系統設計[J].現代電子技術，2021，44(24)：163-166.

[9]劉東，蔣剛，留滄海.基于樹莓派的六足機器人目標跟蹤系統研究[J].傳感器與微系統，2022，41(1)：65-68.

[10]馬超，范光宇，張治軍，等.基于OpenCV的機械臂驅動系統設計[J].電腦知識與技術，2016，12(33)：227-229.

[11]張暉，倪麗娜，于明飛，等.不規則物體投影面積測量系統[J].兵工自動化，2007(6)：75+80.

[12]范修文，曾勇，蘭海鵬，等.圓錐式巴旦木破殼分離機的設計[J].塔里木大學學報，2015，27(2)：86-89.

作者：崔浩 張澤康 郭瑞峰 趙梁博 劉金秀 單位：塔里木大學機械電氣化工程學院